Mini-Brains Go Modular
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος περιγράφεται συνήθως ως το πιο περίπλοκο αντικείμενο στο γνωστό σύμπαν. Μπορεί επομένως να φαίνεται απίθανο οι σταγόνες εγκεφαλικών κυττάρων σε μέγεθος μπιζελιού που αναπτύσσονται σε εργαστηριακά πιάτα να είναι κάτι παραπάνω από φευγαλέα χρήσιμες για τους νευροεπιστήμονες. Ωστόσο, πολλοί ερευνητές καλλιεργούν τώρα με ενθουσιασμό αυτά τα περίεργα βιολογικά συστήματα, που επίσημα ονομάζονται εγκεφαλικά οργανοειδή και λιγότερο επίσημα γνωστά ως μίνι-εγκέφαλοι. Με τα οργανοειδή, οι ερευνητές μπορούν να πραγματοποιήσουν πειράματα σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσονται οι ζωντανοί ανθρώπινοι εγκέφαλοι — πειράματα που θα ήταν αδύνατα (ή αδιανόητα) με το πραγματικό πράγμα.
Τα εγκεφαλικά οργανοειδή που υπάρχουν σήμερα απέχουν πολύ από το να κερδίσουν την ετικέτα του «εγκεφάλου», μίνι ή άλλη. Αλλά μια τριάδα πρόσφατων δημοσιεύσεων υποδηλώνει ότι η επιστήμη των εγκεφαλικών οργανοειδών μπορεί να στρίβει - και ότι το μέλλον τέτοιων εγκεφαλικών μελετών μπορεί να εξαρτάται λιγότερο από την προσπάθεια δημιουργίας μικροσκοπικών τέλειων αντιγράφων ολόκληρων εγκεφάλων και περισσότερο από τη δημιουργία εξαιρετικά αναπαραγόμενων μονάδων αναπτυσσόμενων τμημάτων του εγκεφάλου που μπορούν να κουμπώσουν μεταξύ τους σαν δομικά στοιχεία. Όπως τα εναλλάξιμα εξαρτήματα βοήθησαν να γίνει δυνατή η μαζική παραγωγή και η Βιομηχανική Επανάσταση, τα οργανοειδή που έχουν σταθερές ιδιότητες και μπορούν να συνδυαστούν ανάλογα με τις ανάγκες μπορεί να βοηθήσουν στην επιτάχυνση μιας επανάστασης στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αναπτύσσεται ο ανθρώπινος εγκέφαλος.
Το 2013 η Madeline Lancaster, τότε της Αυστριακής Ακαδημίας Επιστημών, δημιούργησε τα πρώτα αληθινά εγκεφαλικά οργανοειδή όταν ανακάλυψε ότι τα βλαστοκύτταρα που αναπτύσσονταν σε ένα υποστηρικτικό τζελ θα μπορούσαν να σχηματίσουν μικρές σφαιρικές μάζες οργανωμένου, λειτουργικού εγκεφαλικού ιστού. Πραγματικά κολέγια μικροεγκεφάλων άκμασαν σύντομα σύμφωνα με διάφορα πρωτόκολλα σε εργαστήρια σε όλο τον κόσμο.
Προς μεγάλη απογοήτευση των ανυπόμονων πειραματιστών, ωστόσο, η ομοιότητα των μίνι εγκεφάλων με το πραγματικό πράγμα έφτασε μέχρι εκεί. Η συρρικνωμένη ανατομία τους παραμορφώθηκε. Δεν είχαν αιμοφόρα αγγεία και στρώματα ιστού. υπήρχαν νευρώνες, αλλά συχνά έλειπαν σημαντικά νευρογλοιακά κύτταρα που αποτελούν την υποστηρικτική λευκή ουσία του εγκεφάλου.
Το χειρότερο από όλα ήταν η ασυνέπεια των οργανοειδών:διέφεραν πάρα πολύ το ένα από το άλλο. Σύμφωνα με τον Arnold Kriegstein, διευθυντή του προγράμματος ανάπτυξης και βιολογίας βλαστοκυττάρων στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Σαν Φρανσίσκο, ήταν δύσκολο να γίνουν ομοιόμορφα τα οργανοειδή ακόμα και όταν οι επιστήμονες χρησιμοποιούσαν το ίδιο πρωτόκολλο ανάπτυξης και τα ίδια αρχικά υλικά. "Και αυτό καθιστά πολύ δύσκολο να έχουμε ένα σωστά ελεγχόμενο πείραμα ή ακόμη και να βγάλουμε έγκυρα συμπεράσματα", εξήγησε.
Οι ερευνητές θα μπορούσαν να μειώσουν την ενοχλητική μεταβλητότητα αντιμετωπίζοντας τα οργανοειδή πρώιμου σταδίου με αυξητικούς παράγοντες που θα τα έκαναν να διαφοροποιούνται πιο σταθερά ως ένα λιγότερο ποικίλο σύνολο νευρώνων. Αλλά αυτή η συνέπεια θα έβγαινε σε βάρος της συνάφειας, επειδή τα πραγματικά δίκτυα εγκεφάλου είναι ένα λειτουργικό πάπλωμα τύπων κυττάρων — μερικά από τα οποία προκύπτουν στη θέση τους ενώ άλλα μεταναστεύουν από άλλες περιοχές του εγκεφάλου.
Για παράδειγμα, στον ανθρώπινο φλοιό, περίπου το 20 τοις εκατό των νευρώνων - αυτοί που ονομάζονται ενδονευρώνες, οι οποίοι έχουν ανασταλτικά αποτελέσματα - μεταναστεύουν εκεί από ένα κέντρο βαθύτερα στον εγκέφαλο που ονομάζεται έσω γαγγλιακή υπεροχή (MGE). Ένα υπεραπλουστευμένο οργανοειδές μοντέλο για τον φλοιό θα έλειπε από όλους αυτούς τους ενδονευρώνες και επομένως θα ήταν άχρηστο για τη μελέτη του τρόπου με τον οποίο ο αναπτυσσόμενος εγκέφαλος εξισορροπεί τα διεγερτικά και ανασταλτικά σήματα του.
Η απαλλαγή από αυτά τα προβλήματα μπορεί να έχει φτάσει με πρόσφατα αποτελέσματα από τρεις ομάδες. Υποδεικνύουν τη δυνατότητα μιας σχεδόν σπονδυλωτής προσέγγισης για την κατασκευή μίνι εγκεφάλων, η οποία περιλαμβάνει την ανάπτυξη σχετικά απλών οργανοειδών αντιπροσωπευτικών διαφορετικών αναπτυσσόμενων περιοχών του εγκεφάλου και στη συνέχεια επιτρέποντάς τους να συνδεθούν μεταξύ τους.
Το πιο πρόσφατο από αυτά τα αποτελέσματα ανακοινώθηκε πριν από δύο εβδομάδες στο Cell Stem Cell από μια ομάδα με έδρα το Κέντρο Βλαστοκυττάρων του Yale. Στο πρώτο στάδιο των πειραμάτων τους, χρησιμοποίησαν ανθρώπινα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα (μερικά προερχόμενα από αίμα, άλλα από έμβρυα) για να δημιουργήσουν ξεχωριστά οργανοειδή αντίγραφα του φλοιού και του MGE. Στη συνέχεια, οι ερευνητές άφησαν τα μικτά ζεύγη των οργανοειδών σε σχήμα μπάλας να αναπτυχθούν δίπλα-δίπλα. Σε αρκετές εβδομάδες, τα ζεύγη των οργανοειδών συγχωνεύτηκαν. Το πιο σημαντικό, η ομάδα του Yale είδε ότι, σύμφωνα με τη σωστή ανάπτυξη του εγκεφάλου, οι ανασταλτικοί ενδονευρώνες από το οργανοειδές MGE μετανάστευσαν στη φλοιώδη οργανοειδή μάζα και άρχισαν να ενσωματώνονται στα νευρωνικά δίκτυα εκεί, ακριβώς όπως συμβαίνει στον αναπτυσσόμενο εμβρυϊκό εγκέφαλο. /P>
Νωρίτερα φέτος, ομάδες από την Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ και την Αυστριακή Ακαδημία Επιστημών δημοσίευσαν αναφορές σχετικά με παρόμοια πειράματα στα οποία ανέπτυξαν επίσης οργανοειδή φλοιώδη και MGE και στη συνέχεια τα σύντηξαν. Οι τρεις μελέτες διαφέρουν σημαντικά στις λεπτομέρειές τους - όπως το πώς οι ερευνητές πίεσαν τα βλαστοκύτταρα να γίνουν οργανοειδή, πώς γαλουχούσαν τα αναπτυσσόμενα οργανοειδή και ποιες δοκιμές έκαναν στα παράγωγα κύτταρα. Όμως, όλοι διαπίστωσαν ότι τα συντηγμένα οργανοειδή απέδωσαν νευρωνικά δίκτυα με ένα ρεαλιστικό μείγμα διεγερτικών νευρώνων, ανασταλτικών νευρώνων και υποστηρικτικών κυττάρων και ότι μπορούσαν να αναπτυχθούν πιο αξιόπιστα από τους παλαιότερους τύπους οργανοειδών μίνι εγκεφάλου.
Για τον Kriegstein, και τα τρία πειράματα δείχνουν όμορφα ότι τα κύτταρα στα οργανοειδή θα μεταμορφωθούν εύκολα σε ώριμο, υγιή ιστό εάν τους δοθεί η ευκαιρία. «Μόλις εξαναγκάσετε τον ιστό σε μια συγκεκριμένη αναπτυξιακή τροχιά, στην πραγματικότητα καταφέρνει να φτάσει εκεί πολύ καλά μόνος του με ελάχιστες οδηγίες», είπε. Πιστεύει ότι τα εξειδικευμένα οργανοειδή θα μπορούσαν να φέρουν ένα νέο επίπεδο πειραματικού ελέγχου στις εξερευνήσεις των νευροεπιστημόνων:οι επιστήμονες θα μπορούσαν να διερευνήσουν διαφορετικά οργανοειδή του εγκεφάλου για πληροφορίες σχετικά με την ανάπτυξη σε υποπεριοχές του εγκεφάλου «και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσουν αυτή τη συνδυασμένη ή συγχωνευμένη πλατφόρμα για να μελετήσουν πώς αλληλεπιδρούν αυτά τα κύτταρα μόλις αλληλεπιδράσουν αρχίστε να μεταναστεύετε και να συναντάτε ο ένας τον άλλον."
Ο In-Hyun Park, αναπληρωτής καθηγητής γενετικής που ηγήθηκε της μελέτης του Yale, ελπίζει ότι τα οργανοειδή μπορεί να είναι ήδη χρήσιμα σε προκαταρκτικές έρευνες για τις αναπτυξιακές ρίζες ορισμένων νευροψυχιατρικών καταστάσεων, όπως ο αυτισμός και η σχιζοφρένεια. Τα στοιχεία δείχνουν ότι σε αυτές τις συνθήκες, είπε ο Park, «φαίνεται να υπάρχει μια ανισορροπία μεταξύ της διεγερτικής και της ανασταλτικής νευρικής δραστηριότητας. Έτσι, αυτές οι ασθένειες μπορούν να μελετηθούν χρησιμοποιώντας το τρέχον μοντέλο που έχουμε αναπτύξει."
Ο Kriegstein προειδοποιεί, ωστόσο, ότι κανείς δεν πρέπει να βιαστεί να βρει κλινική σημασία σε πειράματα οργανοειδών. "Αυτό που πραγματικά μας λείπει είναι ένα χρυσό πρότυπο ανάπτυξης του ανθρώπινου εγκεφάλου για να βαθμονομήσουμε πόσο καλά αυτά τα οργανοειδή μιμούνται την κανονική κατάσταση", είπε.
Όποιες και αν είναι οι εφαρμογές που μπορεί να βρει τελικά η έρευνα για τα οργανοειδή, τα ουσιαστικά επόμενα βήματα θα συνίστανται στην εκμάθηση του τρόπου παραγωγής οργανοειδών που είναι ακόμη πιο αληθινά στη ζωή, σύμφωνα με τον Park. Επίσης, δεν έχει εγκαταλείψει την ελπίδα ότι θα είναι τελικά δυνατό να δημιουργηθεί ένας μίνι εγκέφαλος στο εργαστήριο που θα είναι πιο ολοκληρωμένος και ακριβής για ό,τι αναπτύσσεται στο κεφάλι μας. Ίσως κάτι τέτοιο να περιλαμβάνει μια πιο περίπλοκη σύντηξη οργανοειδών υπομονάδων ή ίσως να απαιτεί μια πιο περίπλοκη χρήση μέσων ανάπτυξης και χημικών ουσιών για την κατεύθυνση του οργανοειδούς στα εμβρυϊκά του στάδια. «Θα πρέπει να υπάρξει μια προσέγγιση για τη δημιουργία ενός ανθρώπινου εγκεφάλου οργανοειδούς που αποτελείται από πρόσθιο εγκέφαλο συν μεσοεγκέφαλο και οπίσθιο εγκέφαλο όλα μαζί», είπε ο Park.
Η Jordana Cepelewicz συνέβαλε με την αναφορά σε αυτό το άρθρο.
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο Wired.com και στα Ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es .
